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第三章涡轮机及喷气发动机 3 1概述涡轮机 蒸汽轮机 燃气轮机 水轮机等旋转式叶片机械 喷气式发动机 燃气轮机作为飞机的动力1 特点连续工作的旋转式机械 工质的热能首先转换为其动能 然后在转换为机械能 内燃机 直接Q W 所以 1 功率大 连续回转 大大提高进入的工质量 2 高速性 叶片的旋转速度与单位时间进入的工质量有关 所以 叶片速度与工质的流动速度呈正比 3 经济性高 热力循环的热效率与循环初始参数有关 一般蒸汽机初压为 160 245bar 初温 560 570 故用途广 2 用途1 蒸汽轮机 工质为蒸汽 将蒸汽的热能转换为机械能 用途 1 中心电站 热电站 核电站的主要动力机 2 给鼓风机 水泵 压缩机提供驱动动力 3 化工 冶金 轻工等生产领域 作为动力源而广泛应用 4 蒸汽轮机的排汽 用于生产或生活的供热取暖 2 燃气轮机 工质为燃气 将燃气的热能转换为机械能 用途 1 地面机械 发电 船舶 机车等的动力源 2 航空用飞机的动力 3 涡轮喷气式发动机 用于高速飞机 因其喷射速度大 3 燃气轮机与蒸汽机的比较缺点 单机容量小 效率低 优点 设备简单 轻便 用水量少 便于自动控制 起动快4 发展规模美国 1950年 每台蒸汽机平均容量为4MW 1962年 为13 5MW 1972年 为52MW 前苏联 1960初 仅有5台16MW的蒸汽机 1970年底 15MW以上的蒸汽机 达235台 其中 30MW的机组69台 我国 1955年制造第一台蒸汽机 6000千瓦 到70年代末 已生产1 2万千瓦 2 5万千瓦 5MW 10MW 20MW的蒸汽机 目前运行中的最大机组容量为1300MW 发展机组容量的原因 1 减小电站单位容量的造价 相对20MW机组电站单位造价 50MW机组电站的单位造价可降低15 100MW的电站单位造价可降低25 2 提高机组的效率减小新建电站数目 加快电站建设速度 二 构造与分类 1 蒸汽轮机简称汽轮机 工质为水蒸气 旋转式叶片机械 1 结构特点由静子和转子两大部分组成 静子 包括汽缸 隔板3 静叶栅1 进排汽部分 端汽封以及轴承 轴承座等 转子 主轴5 叶轮4 动叶片2 联轴器等 汽轮机的级 一列静叶栅和一列动叶栅构成汽轮机的级 单级汽轮机 指只有一个级的汽轮机 多级汽轮机 有若干级的汽轮机 由一列静叶栅和一列动叶栅组成基本的工作单元 静叶栅 由若干喷管组成 各喷管流通截面变化 动叶栅 与叶轮安装为一体的叶片组 2 基本工作原理产生过热蒸汽 锅炉送往喷管 喷管截面变化 蒸汽的热能转变为动能 高速喷出 射入动叶栅叶片的通道 推动叶轮旋转 对外作功 能量转换 热能 工质的动能 叶轮的机械能 分类的方法4种 按工作原理 冲动式 蒸汽仅在喷嘴中膨胀 反动式 蒸汽在喷嘴和动叶栅中膨胀按热力特性 凝气式 排汽在真空状态下进入冷凝器结成水 背压式 排汽压力大于大气压 排汽供热使用抽汽式 调整抽汽供热用 抽汽背压式 具有调整抽汽的背压式 乏汽式 用其他设备的副产蒸汽作为工质 3 分类 按气流方向 轴流式 蒸汽轴向流动 径流式 蒸汽径向流动 周流式 蒸汽周向流动 按用途 电站用工业用动力源船用2 燃气轮机1 结构特点主要由进气道 压气机 燃烧室以及燃气涡轮等组成 燃气涡轮 压气机 燃烧室 燃气涡轮 燃气发生器 2 工作原理 工质来源 燃气内部的燃烧产物空气连续不断地吸入压气机 在压气机中被压缩增压后 进入燃烧室中与喷入的油混合燃烧成高温高压燃气 再进入透平中膨胀作功 膨胀功 压气机压缩所消耗的功 对外输出功 作为动力 3 分类 按用途分两大类 作为地面机械用动力的 地面燃气轮机 主要产生轴功 图3 3b 飞机用动力的 航空燃气轮机 主要产生推力和拉力 图3 3a 地面燃气轮机 要求提供轴功率 所以需要动力透平 单轴式 动力透平和燃气透平固定在同一根轴上 分轴式 动力透平具有单独的旋转轴 优点 燃气发生器转子和动力透平可有不同转速 使各部分具有较高的工作效率和较宽的运行范围 航空燃气轮机分类 根据用燃气发生器的可用功产生推力的方法不同分为 涡轮喷气发动机 涡轮风扇发动机 涡轮螺旋桨发动机 涡轮轴发动机 直升飞机 航空燃气轮机的共同要求 重量轻 用油少 工作可靠 第二节热力涡轮机级的基本理论 热力涡轮机 汽轮机 燃气轮机一 透平级的概念1 级的定义 一列静叶和一列动叶组成的最基本的工作单元 称为透平级 是透平机械能量转换的单元 2 级内能量转换原理 喷嘴 工质在喷嘴中膨胀 使其温度 压力下降 速度增加 将热能转换为动能 获得高速汽流 动叶 喷嘴出口以很高的汽流喷入动叶 经动叶汽道 叶片 改变流动方向 此时 流体转向时 对动叶产生作用力 其圆周分力推动叶轮旋转 对外输出机械功 而动叶对汽流的反作用 使汽流转向 由此完成动能 机械能 3 反动度 当汽流在动叶汽道中不膨胀加速 只改变流动方向时 汽流对汽道产生的作用力 离心力 称为 冲动力 当汽流在汽道内改变方向的同时 进行膨胀加速时 则加速的汽流流出流道时 对动叶栅产生与汽流流出方向相反的反作用力 此力称为反动力 表示动叶汽道内的汽流膨胀程度 定义 动叶汽道内膨胀时的理想焓降 整个级的滞止理想焓降 喷嘴中的滞止理想焓降 对喷嘴进出口 4 级的分类 按蒸汽在级内膨胀程度分为冲动级和反动级 1 冲动级a 纯冲动级 的级特点 汽流只在喷嘴中膨胀 动叶栅中不膨胀 只改变流动方向 动叶栅进出口压力相等 p1 p2 作功能力大 效率低b 带反动度的冲动级 应用广泛 特点 蒸汽大部分在喷嘴中膨胀兼备冲动级作功能力大和反动级效率高的特点 c 复速级 由一列静叶栅 两列动叶栅 一列固定导向叶栅组成 导向叶栅在两列动叶栅之间 将前一列动叶栅出口的汽流方向改变为第二列动叶栅的进汽方向 使工质继续作功 以充分利用工质的能量 为提高复速级的效率 可采用一定的反动度 2 反动级 的级 特点 蒸汽的膨胀一半在喷嘴叶栅中进行 另一半在动叶栅中进行 效率比冲动级高 但作功能力较小 二 级内的工作过程 一 基本方程汽轮机级的热力计算 可用可压缩流体一维流动方程 即1 状态方程 当蒸汽处于过热状态 远离饱和线时 对过热蒸汽状态 也可以表示为当蒸汽从过热区膨胀过渡到湿蒸汽区时 采用水蒸气表或h s图 对等熵过程 过热蒸汽 湿蒸汽 x 膨胀初期蒸汽干度 空气 燃气 2 连续方程 稳定流动连续方程 稳定工况 流量qm一定 即微分形式 表示一维流动时密度 速度 截面积之间的变化规律 3 能量方程 热一定律的应用 对稳定流动 忽略势能时 对蒸汽进 出口状态 有能量转换关系 对静叶栅 绝热 不作功 所以即沿流线总焓不变 4 运动方程 表示速度与压力变化关系 对一维等熵流动 由能量方程和热一定律能量 热一律 可逆 有由绝热条件 代入后 积分得 意义 已知进口截面状态参数 及出口截面背压 可求得出口截面汽流的理想速度 二 工质在喷嘴中的膨胀过程1 喷嘴中的汽流速度1 喷嘴出口处的汽流理想速度喷嘴入口处蒸汽的状态 喷嘴内等熵膨胀 则喷嘴出口处汽流理想速度为 由能量方程 喷嘴的理想焓降 用滞止焓表示时 2 喷嘴出口的汽流实际速度一般蒸汽有粘性 所以实际速度 即流动中有损失 损失程度常用速度系数j表示 即 速度系数j与动能损失之间的关系 流动过程绝热 故损失的动能 热能加热蒸汽本身 使蒸汽出口实际比焓大于理想比焓 熵增加 3 影响j的因数 喷嘴高度 叶型 汽道形状 表面粗糙度 前后压力等 喷嘴高度影响最大 一般取l0 75mm时 2 蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀 由喷嘴结构特点和流动特点 在喷嘴出口处形成汽流斜切部分 直接影响出口速度及方向 即影响汽流进入动叶特性 偏角 当出口截面上的压力比 临界压比时 喷嘴喉部断面AB上的流速 声速 此时出口断面无膨胀波 喷嘴出汽角 1为 当喷嘴出口断面上的压力比 临界压比时 喷嘴喉部断面上流速 临界速度 压力 临界压力pcr 此时汽流在斜切部继续膨胀 pcr膨胀到出口处压力p1 A点处压力从pcr突然降低到p1 而产生汽流扰动 斜切部形成以A点为中心的膨胀波区 通过A点射出等压线 使斜切部压力降低 汽流速度增加 达到超音速 当被压p1继续降低时 斜切部分最后一根等压线与出口底面重合 这样 BC段汽流压力从pcr逐渐降低到p1 而假想的AD汽流段压力为均匀分布 p1 所以BC面合力 AD面合力 使汽流绕A点偏转一个角度 当已知喷嘴压力比 蒸汽等熵指数k 喷嘴出汽角 1 则由计算求得偏转角 1 三 工质在动叶栅中的流动和速度三角形 1 速度三角形动叶栅的圆周速度 dm 平均直径 汽流对动叶栅的相对速度 w1进入动叶栅的汽流绝对速度 c1 则此矢量关系用图表